中国市政工程中南设计研究总院有限公司 515054
摘要：目前，国内外现有的桥梁抗震设计规范一般只适用于中等跨径的普通桥梁，对于大跨度桥梁的抗震设计则无规范可循，再加上输入地震动的空间变异性（行波效应与部分相干性效应）、非线性问题（几何非性线、材料弹塑性和边界条件的非线性）、阻尼问题、地基与结构相互作用等影响使得大跨度桥梁的地震反应分析较为复杂，相应的抗震设计也比较繁琐。天山北路（潮汕路-汕樟路，含梅溪河大桥）建设项目的主要工程是跨径布置为（56+139+56）m的连续梁拱桥，项目工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度。本文采用反应谱法主桥（56+139+56m钢管混凝土连续梁拱桥）进行抗震分析及验算。研究减隔震技术的作用效果，从而选取合理的约束体系，保证结构在正常使用的前提下，提高抗震性能。为其他有关从业人员具备借鉴意义。
关键词：连续梁拱抗震；抗震性能；抗震措施；分析方法；大跨度桥梁抗震设计
引言：
地震作用理论主要研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应。结构的地震反应取决于地震动和结构动力特性两个方面。因此，地震反应分析方法的发展是随着人们对这两方面的认识逐渐深入而提高的。桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生，经历了从静力法到动力法（包括反应谱方法和时程分析方法）的演变过程。目前世界各国的桥梁抗震设计规范中主要采用确定性分析方法，包括静力法、反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法。其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则多用于确定桥梁单个构件的破坏机制和抗震能力的评估。此外，概率性分析方法的理论研究也较多，但不能得到数值结果，较难直接应用于工程中。
1.桥梁结构设计基本概况
桥梁工程全长1067.6（含引道挡墙）m，其中梅溪河大桥主桥宽度48.5m，跨径为56+139+56m 连续梁拱桥，分幅布置。主梁为变高度连续箱梁，主桥立面如图1所示。主桥横断面如图2所示。主桥基础采用实体墩，群桩基础，中墩采用拱梁固结体系。主梁为混凝土箱梁结构，采用C55混凝土。主梁全宽24.25m，底板宽17m，支点处梁高5.5m，梁端处梁高2.8m，顶面设2%的双向横坡，底面保持水平。主梁采用单箱三室结构，顶板厚为40–55cm，底板厚35–80cm，悬臂端端部厚20cm，根部厚为60cm，最大悬臂长为450cm。主梁端横梁厚度为1.5m，中横隔梁宽厚度为4m，底板高度变化曲线半径为41816.7cm。拱肋计算跨度139m，设计矢高27.8m，矢跨比1/5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程：Y=-1/170X +0.8X（坐标原点取拱轴线和支座中心线的交点）。主墩采用矩形实体墩，墩身横桥向宽度为17.0m，纵桥向厚度为3.8m，矩形截面，四个角设0.5m的圆形倒角。
抗震设防烈度：拟建场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组第二组。场地上部覆盖层为第四纪全新世土层及第四纪晚更新世土层，下部为基岩层，地基稳定性好；场地属可进行建设的一般场地，场地适宜性分类为较适宜。
图2梅溪河大桥主桥横断面图
2.减隔震措施
对主桥分别设置普通球型钢支座、摩擦摆减隔震支座及速度锁定器三种减隔震措施进行桥梁结构减隔震效果评价。
摩擦摆隔震支座一般都由上下两个滑移面和中间的滑块来组成，在滑移面与滑块中间会涂有摩擦材料，如聚四氟乙烯等。在地震的作用下，上部结构会随着支座在滑面内来回摆动，由于滑移面为圆弧面，因此在滑动时结构会在重力的作用下向中间滑动，保证了摩擦摆隔震支座具有良好的自复位能力。并且该支座的刚度中心存在自动与隔震结构的质心重合的趋势，因而能在一定程度上消除结构的扭转运动。摩擦摆隔震支座的周期、竖向承载力、阻尼比、侧向位移和抗拉力等指标可以进行单独控制，十分便于设计人员对隔震系统进行优化设计。
速度锁定器LUD是Lock-Up Device的缩写，在低速状态下产生的结构反力非常小，随着速度增加反力迅速升高，自身结构由柔性变为刚性（即为“锁定”）的一种连接相邻构件的限位保护装置。速度锁定器是按照现行国家及行业相关标准，同时参考美国标准研制开发的减隔震类建筑构件产品。该产品广泛应用于地震区，以及大风、车辆振动显著、海岸边（中）等环境的桥梁及其它大建筑工程中，能够大大节约整个工程的造价，具有很强的经济适用性。
3.主桥连续梁拱支座布设方案
在主桥的9#墩（非固定墩）上分别设置普通球型支座、摩擦摆减隔震支座以及速度锁定器，其余8#、10#（固定墩）及11#墩仍设置普通球型支座，由此根据不同减隔震支座下主桥的地震响应来判断减隔震支座的减震效果，具体布置形式如图2-25所示（图中括号里的数字分别表示整体坐标中支座处x，y，z方向自由度约束情况，0表示自由，1表示约束）。
（b）9#墩布置摩擦摆减隔震支座
（c）9#墩布置速度锁定器与球型支座
（d）9#墩速度锁定器平面布置示意图
3.1摩擦摆减隔震支座模拟
动力设计参数下表所示：
表1摩擦摆减隔震支座动力设计参数
其他部位模拟按照响应材料性质模拟。
4.主桥抗震分析
4.1主桥自振特性分析
利用OpenSEES软件建模完成后，为对模型的正确性进行验证，需将桥梁在OpenSEES中的自振周期与Midas Civil模型中的自振周期与振型形状进行对比，结果如表4。
表4 两种软件主桥自振周期对比
对桥梁结构进行特征值分析，并与Midas软件所建立的桥梁模型的自振周期进行对比。从上表可以看出，两种软件下主桥结构自振周期对比的结果良好，充分验证了OpenSEES所建立的桥梁动力分析模型的正确性。
4.2不同减隔震措施下主桥反应谱分析结果
根据3节中减隔震支座的布置形式，对几种不同减隔震措施下主桥进行设计E2顺桥向地震反应谱分析，得到桥梁结构在设计E2顺桥向地震作用下的内力及位移分析结果如表5-1所示，定义荷载组合为1.0倍恒载+1.0倍地震。（标红的表示每一行中的最小值）
表5设计E2顺桥向地震作用下主桥反应谱计算结果
对比了设置速度锁定器、设置摩擦摆减隔震支座以及仅设置普通球型支座的桥梁各控制截面位移及内力的反应谱分析结果，可以得到以下结论：
（1）设置摩擦摆与速度锁定支座后，桥梁结构拱肋纵向位移明显增大；
（2）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座均会使主梁的内力及位移增加；
（3）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座均会使桥梁10#墩与11墩的纵向位移及内力减小，速度锁定支座减小的幅度更大，如设置速度锁定器后，10#墩顶的纵向位移减小约80%；
（4）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座均会使桥梁桩顶的内力及及位移减小；
（5）设置速度锁定支座后，主梁顺桥向的最大的位移为0.209m。桥梁伸缩缝的设置为主桥两侧各18cm，故最大纵向位移仍在合理范围内。
（6）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座均会降低桥墩的内力及位移响应，如设置速度锁定器后，11#墩墩底的剪力降低约87%，弯矩降低约74%，位移降低约63%；
（7）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座对桩顶的内力及位移响应影响不大，桩顶的震后位移均趋于零；
（8）与普通支座相比，摩擦摆与速度锁定支座的滞回曲线的形状非常饱满，反映出其塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。
4.3结论
综合考虑采用减隔震措施前后连续梁拱桥关键截面内力和位移的变化，可以认为，主桥设置速度锁定器，能够显著减小地震作用，是一种较合理的减隔震措施。
结语：
总的来说，在高地震地区应加强抗震设计，尤其是大跨径桥梁，本文在抗震设计中采用速度锁定器形式，能起到有效的抗震作用，为其他桥梁设计起到一些借鉴作用。
参考文献：
[1]范立础、胡世德、叶爱君 著.《大跨度桥梁抗震设计》.
[2]郭理学.基于大跨度桥梁抗震设计及加固设计的研究，2015，24（4）：155-156.
论文作者:1陈五一,2刘运,3梁绍魏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/28
标签：支座论文; 桥梁论文; 位移论文; 速度论文; 摩擦论文; 结构论文; 内力论文; 《基层建设》2019年第5期论文;